[发明专利]微粗糙度二氧化钒薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学功能材料领域，具体涉及一种具有表面微结构的二氧化钒薄膜的制备方法和应用。

背景技术

降低二氧化碳排放量是解决全球温室效应的一个重要途径。二氧化碳排放量的降低需要提升产能和节能效率。在整个社会总能耗中，建筑能耗约占据30～40%，是社会能耗中的耗能大户。窗户是建筑与外界热量交换的主要途径，消耗能量约占到建筑总能耗的节能的1/3，因此窗户是建筑节能的关键，通过节能窗的使用，可以极大地降低建筑能耗。

二氧化钒是一种热致色变材料，近年来被越来越多的研究者关注。这种材料在室温附近（68℃）存在一个从半导体态到金属态的一阶相变。其薄膜材料相变前后的可见光透过率变化不大，而近红外部分具有很大的透过率差别。其这一特性被用来作为热致色变智能窗的功能层。

基于二氧化钒薄膜的热致色变智能窗具有低温透过红外，高温自动阻隔红外，同时不影响可见光透过率的特性。通过对太阳光中致热的红外波段的调节，可以在夏天阻挡红外进入室内，降低制冷能耗，冬天利用红外波段为室内采暖，降低建筑能耗。与其他智能窗相比，基于二氧化钒的热色型智能窗，自动响应环境温度调整红外透过率，调整过程无需额外消耗能量，同时结构十分简单，因此受到广泛的关注。

目前，二氧化钒薄膜的热致色变智能窗的开发主要面临三个问题：1）可见光透过率低。造成可见光透过率低的因素有两个，一个是薄膜的高折射率导致在可见光部分有近20%的反射率，降低可见光透过率，同时造成了光污染；另一个因素是，可见光的吸收。由于二氧化钒的光学吸收边在460-500nm左右，因此对蓝紫光有比较明显的吸收，造成可见光透过率低，同时薄膜拥有一定的颜色，对其视觉效果有一定的影响，不利于其应用推广。2）太阳能量调控能力低。对太阳能量的调控能力是衡量其节能效率的一个重要标准，目前单层二氧化钒通过相变对太阳光的能量调控能力一般在7%左右，由此带来的节能效果并不是很理想，在实际应用中效果还不明显。3）发射率高。发射率主要是针对中远红外光。这部分光是室温物体的热辐射。发射率表征的是对室温热辐射的传递能力，发射率越高，传递能力越强。高的发射率不利于夏天对室外热的阻隔和冬天对室内热的保护，因此会大大提高夏天制冷和冬天采暖能耗。

提高二氧化钒薄膜的可见光透过率和太阳光调节能力是目前主要关注的问题，通常有通过单层膜厚度控制，多层干涉膜设计来提高可见光透过率和调节效率（N.R.Mlyuka,G.A.Niklasson,C.G.Granqvist,Thermochromic VO₂-based multilayer films with enhanced luminous transmittance and solar modulation,Phys.Status Solidi A-Appl.Mat.,206(2009)2155-2160.）。CN102785414A、CN102785415A、CN102785416A公开二氧化钒薄膜和无机透明薄膜复合形成的复合膜，通过引入无机透明薄膜来增加二氧化钒薄膜可见光透过率。又，CN102336528A公开一种二氧化钒薄膜，其通过引入红外增反材料提供红外透过率。

面对现有技术存在的问题，本发明人认识到通过在界面制作亚波长结构起伏，使表面镜面反射一定程度转换成漫反射，也可以适当的降低反射率，提高透过率。同时，相关研究工作表明（L.Kang,Y.Gao,H.Luo,Z.Chen,J.Du,Z.Zhang,Nanoporous Thermochromic VO2Films with Low Optical Constants,Enhanced Luminous Transmittance and Thermochromic Properties,ACS Applied Materials & Interfaces,3(2011)135-138.），提高二氧化钒薄膜的气孔率可以提高薄膜的可见光透过率和调节效率。

发明内容

在此，本发明首先提供一种微粗糙度二氧化钒薄膜的制备方法，包括：

配制含钒离子、成膜促进剂和相分离组分的前驱体溶液，所述相分离组分为能够在前躯体成膜后干燥过程中从前躯体膜中单独析出，产生均匀分散的异相团聚体的物质；

采用所述前驱体溶液在衬底上形成前驱体薄膜，干燥形成不均匀薄膜；以及

所述不均匀薄膜经热处理后得到所述微粗糙度二氧化钒薄膜。

本发明通过简单的工艺，在二氧化钒薄膜上引入微结构，极大地提高了薄膜的可见光透过率和近红外调节能力。